La chasse à la matière noire avec le télescope spatial James Webb
Alors que la traque de la matière noire, la substance la plus courante mais la plus mystérieuse de l’univers, se poursuit, les scientifiques sont légitimement impatients d’utiliser le télescope spatial le plus puissant pour participer à cette quête. Space.com a parlé à trois scientifiques, des détectives cosmiques qui traquent les candidats à la matière noire en utilisant le télescope spatial James Webb (JWST).
La difficulté avec la matière noire
La matière noire est le nom donné à la substance mystérieuse qui représente environ 85% de la matière totale de l’univers. Cela signifie que toute la matière que nous voyons autour de nous au quotidien, des étoiles les plus massives aux plus petites bactéries et au-delà, ne représente que 15% de la matière présente dans le cosmos. Pourtant, malgré son omniprésence, la matière noire est étonnamment insaisissable, car elle n’interagit pas avec la lumière ni avec la matière ordinaire. Jusqu’à présent, la seule façon dont les astronomes ont pu déduire la présence de matière noire est par son interaction avec la gravité et la manière dont cela influence la lumière et la matière visible.
La recherche de la matière noire avec le James Webb Space Telescope
La question est de savoir comment le JWST, même avec son œil infrarouge incroyablement sensible, pourrait rechercher quelque chose qui est lui-même effectivement invisible dans toutes les longueurs d’onde de lumière. Si la matière noire est composée de particules hypothétiques appelées axions, il existe une chance que ces particules puissent se désintégrer, se décomposant en autres particules. Ce processus pourrait libérer des photons, les particules qui constituent la lumière, que le JWST pourrait alors détecter.
La découverte de cette lumière serait révolutionnaire
Une découverte réussie de cette lumière serait révolutionnaire – véritablement la découverte du siècle, a déclaré la physicienne théoricienne en astroparticules Elena Pinetti à Space.com. La découverte de la matière noire ouvrirait un tout nouveau chapitre dans notre compréhension de l’univers. C’est un peu comme un travail de détective cosmique, qui nous aide à trier le bruit de l’univers pour repérer quelque chose de vraiment extraordinaire.
Les axions : principaux suspects de la matière noire
Les axions sont des particules instables, ce qui signifie qu’elles peuvent se transformer spontanément en d’autres particules. C’est très similaire aux neutrons, qui se désintègrent en protons en environ 15 minutes à moins qu’ils ne soient liés à l’intérieur d’un noyau d’un atome, a déclaré Christopher Dessert, chercheur de la Flatiron Research au Centre de l’astrophysique computationnelle.
Les axions se désintègrent en deux photons (les particules qui constituent la lumière), et chacun de ces photons a une énergie égale à la moitié de la masse de l’axion grâce à la relation matière/énergie d’Einstein E=mc², a ajouté Dessert.
Si la masse de l’axion est d’environ 1 électronvolt (eV)/c² (où c est la vitesse de la lumière), alors les photons émis se situent dans la plage des longueurs d’onde infrarouges, et le JWST pourrait les détecter.
Le JWST est l’outil idéal pour la recherche
Elisa Todarello, astrophysicienne théoricienne de l’Université de Nottingham en Angleterre, a expliqué pourquoi le JWST est l’instrument idéal pour la recherche de lumière provenant de la désintégration des axions.
Le JWST peut observer des objets extrêmement faibles et peut distinguer différentes fréquences de lumière infrarouge avec une grande précision spectrale, a déclaré Todarello. Ce sont des caractéristiques souhaitables pour un instrument permettant de détecter les rayonnements électromagnétiques produits par la désintégration d’une particule de matière noire.
Todarello a également expliqué que si la désintégration des axions était concentrée à une fréquence spécifique, égale à environ la moitié de la masse de l’axion, cela créerait une raie spectrale étroite qui permettrait de la différencier de la lumière provenant de sources émettant un spectre lisse sur une large gamme de fréquences.
Il serait plus difficile de le différencier des raies spectrales d’une autre origine – par exemple, des transitions atomiques. Si la masse de l’axion est telle que la raie spectrale due à la désintégration de l’axion coïncide avec celle d’une transition atomique, il serait très difficile de les distinguer.
Où chercher la matière noire
Cela couvre la façon dont ces détectives de la matière noire cherchent à détecter les signaux de matière noire et ce qu’ils cherchent. Avec l’omniprésence de cette substance mystérieuse, la question qui reste est où chercher pour avoir la meilleure chance de détecter la matière noire.
Les recherches de Dessert et de Pinetti
Dans ses recherches, Dessert explore des régions différentes pour des signaux de matière noire. Ils ont constaté que les axions de la Voie lactée sont plus sensibles car le JWST collectera plus de données en les examinant, mais cela n’était pas évident a priori.
Pinetti a expliqué que, dans ses recherches, son équipe a cherché un signal de matière noire dans des champs de ciel «blancs».
Les champs de ciel blanc sont des observations hors cible que les astronomes utilisent pour éliminer le bruit de fond de leurs données.
Cette approche est particulièrement excitante car chaque observation du JWST, quel que soit l’objet, nécessite ces champs de ciel blanc pour être produit dans le cadre de son programme d’observation. Donc, notre ensemble de données continuera de croître tant que le JWST fonctionnera, ce qui nous permettra de sonder de plus en plus profondément dans le secteur sombre, a déclaré Pinetti. Et tout cela est gratuit puisque nous pouvons utiliser presque n’importe quel type d’observation du JWST !
Le JWST comme outil de découverte
Si le JWST ne trouve aucun signal provenant de la désintégration des axions, cela n’éliminerait pas complètement ces particules hypothétiques comme suspectes de matière noire. Cela pourrait simplement signifier que les particules qui composent la matière noire ont une masse en dehors de cette plage de masse.
Il est toujours bon d’envisager de nombreuses possibilités différentes, mais une non-détection de la matière noire axionique par le JWST ne signifierait pas qu’un tel candidat de matière noire est maintenant peu probable, a déclaré Todarello. Cela signifierait simplement que la masse de l’axion se situe dans une plage différente, ou que la constante de couplage aux photons est plus petite que ce que le JWST peut détecter.
La passion pour la science
Ce type d’enquête nourrit la passion de Pinetti pour la science. L’astrophysique astroparticulaire et les sciences spatiales ne cessent de m’étonner – il y a toujours quelque chose de nouveau et d’inattendu ! En fait, il y a des signaux mystérieux suggestifs dans les données du JWST, et nous ne sommes pas encore sûrs de leur origine. Cela vaut vraiment la peine d’approfondir – chaque mystère nous rapproche un peu plus de la compréhension du cosmos. Cette découverte transformerait complètement ce que nous savons sur l’univers et révélerait peut-être des mystères que nous n’avons même pas imaginés.
